Lasers worden veel gebruikt in huishoudelijke apparaten, medicijn, industrie, telecommunicatie en meer. Een aantal jaar geleden, wetenschappers introduceerden nanolasers. Hun ontwerp is vergelijkbaar met dat van de conventionele halfgeleiderlasers op basis van heterostructuren die al tientallen jaren algemeen worden gebruikt. Het verschil is dat de holtes van nanolasers buitengewoon klein zijn, in de orde van de golflengte van het licht dat ze uitzenden. Omdat ze voornamelijk zichtbaar en infrarood licht genereren, de grootte is in de orde van een miljoenste van een meter.

Nanolasers hebben unieke eigenschappen die opmerkelijk verschillen van die van macroscopische lasers. Echter, het is bijna onmogelijk om te bepalen bij welke stroom de uitgangsstraling van de nanolaser coherent wordt; aanvullend, voor praktische toepassingen, het is belangrijk om onderscheid te maken tussen de twee regimes van de nanolaser:de echte laserwerking met een coherente output bij hoge stromen, en het LED-achtige regime met onsamenhangende output bij lage stromen. Onderzoekers van het Moscow Institute of Physics and Technology ontwikkelden een methode om te bepalen onder welke omstandigheden nanolasers kwalificeren als echte lasers. Het onderzoek is gepubliceerd in Optica Express .

In de nabije toekomst, nanolasers zullen worden opgenomen in geïntegreerde optische schakelingen, waar ze nodig zijn voor een nieuwe generatie hogesnelheidsverbindingen op basis van fotonische golfgeleiders, wat de prestaties van CPU's en GPU's met verschillende ordes van grootte zou verbeteren. Op een soortgelijke manier, de komst van glasvezel internet heeft de verbindingssnelheden verbeterd, terwijl ook de energie-efficiëntie wordt verhoogd.

En dit is lang niet de enige mogelijke toepassing van nanolasers. Onderzoekers ontwikkelen al chemische en biologische sensoren, slechts een miljoenste van een meter groot, en mechanische spanningssensoren zo klein als enkele miljardsten van een meter. Nanolasers zullen naar verwachting ook worden gebruikt voor het beheersen van neuronactiviteit in levende organismen, inclusief mensen.

Om een ​​stralingsbron als laser te kwalificeren, het moet aan een aantal eisen voldoen, de belangrijkste is dat het coherente straling moet uitstralen. Een onderscheidende eigenschap die nauw samenhangt met coherentie is de aanwezigheid van een zogenaamde laserdrempel. Bij pompstromen onder deze drempelwaarde, de uitgangsstraling is meestal spontaan en verschilt qua eigenschappen niet van de uitgang van conventionele light-emitting diodes (LED's). Maar zodra de drempelstroom is bereikt, de straling wordt coherent. Op dit punt, het emissiespectrum van een conventionele macroscopische laser wordt kleiner en het uitgangsvermogen piekt. De laatste eigenschap zorgt voor een gemakkelijke manier om de laserdrempel te bepalen, namelijk door te onderzoeken hoe het uitgangsvermogen varieert met de pompstroom (figuur 1A).

Veel nanolasers gedragen zich zoals hun conventionele macroscopische tegenhangers, een drempelstroom vertonen. Echter, voor sommige apparaten, een laserdrempel kan niet worden vastgesteld door analyse van het uitgangsvermogen versus de pompstroomcurve, omdat het geen speciale kenmerken heeft en slechts een rechte lijn is op de log-log-schaal (rode lijn in figuur 1B). Dergelijke nanolasers staan ​​bekend als "drempelloos". Dit roept de vraag op:bij welke stroom wordt hun straling coherent, of laserachtig?

De voor de hand liggende manier om dit te beantwoorden is door de samenhang te meten. Echter, in tegenstelling tot het emissiespectrum en het uitgangsvermogen, coherentie is zeer moeilijk te meten in het geval van nanolasers, omdat hiervoor apparatuur nodig is die intensiteitsfluctuaties van biljoensten van een seconde kan registreren, dat is de tijdschaal waarop de interne processen in een nanolaser plaatsvinden.

Andrey Vyshnevyy en Dmitry Fedyanin van het Moscow Institute of Physics and Technology hebben een manier gevonden om de technisch uitdagende directe coherentiemetingen te omzeilen. Ze ontwikkelden een methode die de belangrijkste laserparameters gebruikt om de coherentie van nanolaserstraling te kwantificeren. De onderzoekers beweren dat hun techniek het mogelijk maakt om de drempelstroom voor elke nanolaser te bepalen (figuur 1B). Ze ontdekten dat zelfs een "drempelloze" nanolaser in feite een duidelijke drempelstroom heeft die de LED- en laserregimes scheidt. De uitgezonden straling is incoherent onder deze drempelstroom en coherent daarboven.

Verrassend genoeg, de drempelstroom van een nanolaser bleek op geen enkele manier verband te houden met de kenmerken van de uitgangskarakteristiek of de vernauwing van het emissiespectrum, die veelbetekenende tekenen zijn van de laserdrempel in macroscopische lasers. Figuur 1B laat duidelijk zien dat zelfs als een goed uitgesproken knik wordt gezien in de uitgangskarakteristiek, de overgang naar het laserregime vindt plaats bij hogere stromen. Dit konden laserwetenschappers niet verwachten van nanolasers.

"Onze berekeningen laten zien dat in de meeste artikelen over nanolasers, het laserregime werd niet bereikt. Ondanks onderzoeken die metingen uitvoeren boven de knik in de uitgangskarakteristiek, de nanolaser-emissie was onsamenhangend, aangezien de werkelijke laserdrempelwaarde orden van grootte boven de knikwaarde lag, " zegt Dmitry Fedyanin. "Heel vaak, het was eenvoudigweg onmogelijk om een ​​coherente output te bereiken vanwege de zelfverhitting van de nanolaser, " voegt Andrey Vyshnevyy toe.

Daarom, het is zeer belangrijk om de illusoire laserdrempel te onderscheiden van de werkelijke. Hoewel zowel de coherentiemetingen als de berekeningen moeilijk zijn, Vyshnevyy en Fedyanin bedachten een eenvoudige formule die op elke nanolaser kan worden toegepast. Met behulp van deze formule en de uitgangskarakteristiek, nanolaser-ingenieurs kunnen nu snel de drempelstroom meten van de structuren die ze creëren (zie figuur 2).

De bevindingen van Vyshnevyy en Fedyanin maken het mogelijk om van tevoren te voorspellen op welk punt de straling van een nanolaser - ongeacht het ontwerp - coherent wordt. Hierdoor kunnen ingenieurs deterministisch lasers op nanoschaal ontwikkelen met vooraf bepaalde eigenschappen en gegarandeerde coherentie.